微流控光学陀螺的工艺制作方法涉及一种新颖的基于微流控技术，用电控制信号进行操作的光学陀螺结构的集成化制作方法，该方法采用机械加工、制作ＰＤＭＳ微流控芯片、镀膜、封合来实现包含上盖板（１１）、微型气泵层（１２）、光波导层（１３）和下底板（１４）的夹心结构的集成制作，实现微流控光学陀螺芯片结构。集成化制作方法的主要步骤包括：光波导层的制作、微型气泵层的制作、镀膜和芯片封合四个基本过程。其中，上盖板、光波导层和下底板皆采用聚二甲基硅氧烷（ＰＤＭＳ）；结构的上盖板，下底板都需要镀反射膜，通过涂抹聚乙烯醇（ＰＶＡ）材料来改善。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种新颖的基于微流控技术的马赫-曾德尔干涉型光学陀螺芯片的制作方法，属于光纤传感器集成
技术介绍
微流控光学是一项具有重要意义的新技术，它将现代微流控技术和微光电子技术 相结合，研制一类能够根据外界环境变化、具有结构重组和自适应调节能力的光学集成器 件和系统，将在传感、通信、信息处理等领域具有重要的应用前景。 光学陀螺具有十分广泛的应用领域，包括国防军工、工程测量、石油钻探、飞行导 航、GPS定位以及智能机器人控制等。目前已发展到以光纤陀螺和集成光学陀螺为标志的 新阶段，并且受到各种应用的广泛关注。各种类型的光纤陀螺，其基本原理都是利用Sagnac 效应，只是各自所采用的位相或频率解调方式不同，或者对光纤陀螺的噪声补偿方法不同 而已。根据sagnac效应，如图1， 一环形光路在惯性空间绕垂直于光路平面的轴转动时，光 路内相向传播的两列光波之间，将因光波的惯性运动而产生光程差，从而导致两束相干光 波的干涉。对于光纤陀螺仪，光在介质中传播，其光程差与介质的折射率有关，也与介质的 切线速率有关。该光程差对应的位相差与旋转角速率之间有一定的内在联系，通过对干涉 光强信号的检测和解调，即可确定旋转角速率。本专利中就是采用微环腔结构的光学陀螺 利用萨格纳(Sagnac)效应，产生光程差，得到转动角速度的信息。 因此，本专利技术的创新之处在于，结合了微流控技术后为传统光纤陀螺器件的微型化、集成化、低成本化以及高精度控制提供了可能。参考文献 1齐绩.对Sagnac效应的 一 种解释[J].大庆石油大学学报，2007， 31 (3): 146-147. 2梁阁亭，惠俊军，李玉平.陀螺仪的发展及应用[J].飞航导弹，2007， 4 :38-40. 3刘兰芳，陈刚，金国良.光纤陀螺仪基本原理与分类[J].现代防御技术，2007， 35(2) :60-64. 4Vali V， Shorthill R W. Fiber Ring Interferometer[J]. Appl Opt，1976，15 : 109-110. 5梁忠诚，赵瑞.微流控光学及其应用[J].激光与光电子学进展[J].200S， 45(6). 17-20.6吴重庆.光波导理论[M].第二版.北京清华大学出版社，2005 :190-226. 7D.Psaltis， S. Quake， C. H. Yang. Developing optofluidic technologythrough the fusion of microfluidics and optics[J]. Nature,2006，442(7101) :381-386.
技术实现思路
技术问题本专利技术的目的在于提出一种基于微流控的马赫-曾德尔干涉型微环腔3光学陀螺芯片的制作方法，解决光学陀螺集成化制作方法问题，实现结构功能。 技术方案 1、基本原理和芯片结构 本专利技术的基于微流控的微环腔光陀螺的基本结构如图2所示，它是上盖板+微型气泵层+光波导层+下底板的夹心结构。单元结构中，第一层为上盖板，上面留有排气孔、注液孔和电极孔；第二层为微型气泵层，其上有微型气泵模块，以及与上盖板上小孔对应匹配的排气孔，注液孔及电极孔；第三层是光波导层，除了利用微流道工艺制作的微流道外，中部是储液小槽及与环形流道相通的细流道；第四层为下底板，在下底板下有支撑系统的支点。在该结构中，上盖板、光波导层和下底板皆采用聚二甲基硅氧烷(P匿S)。考虑到P匿S材料的透光性，结构的上盖板，下底板都需要做遮光处理——即镀反射膜。同时，P匿S材料极强的疏水性，需要通过涂抹聚乙烯醇(PVA)材料来改善。 该系统结构中增加了排气孔。原因有两点，首先在封闭的微环结构中方便注液孔液体的进入，避免气体压强的反压力抵制液体的毛细作用，同时有利于控制液体的流量；其次，由于PDMS对于多数非极性气体稍微渗透，故为了避免非极性气体进入微流道，产生气泡而影响光波导及产生光损耗，就需要去除细管和小槽的非极性气体。系统运行时，可由注液孔向流道内注入液体，液体可选用硅油d.41)，甘油(1.47)，苯(1.50)等折射率大且无色，透明的液体。随着液体的注入，流道内多余的气体可以由排气孔排出。 启动微型气泵，可以通过加热，冷却气泵内的电热阻控制气泵的气腔膨胀、收縮，从而挤压环形流道内的液体，使其匀速绕流道流动。由激光器发射的一束激光经过分光器进入系统的两路平行腔内，通过上下两耦合器进入环形腔，分别以顺时针和逆时针方向，绕环形腔一周，然后通过各自的耦合器离开环形腔，回到平行腔，两光束最后汇合，根据Sagnac效应，它们会发生干涉。使用光电接收器测量光强变化可得知它们的相位差，最终推得系统旋转角速度的大小。 2、集成芯片制作方法 采用机械加工、制作PDMS微流控芯片、镀膜、封合来实现包含上盖板、微型气泵层、光波导层、下底板的夹心结构的集成制作，包括步骤如下 1)光波导层的制作采用制作光掩膜的方法，通过CAD设计微流道，将其打印在透明胶片上作为掩膜，在硅片上甩涂一薄层光刻胶，通过紫外线曝光，未曝光区域用显影液溶解，硅片以及表面上剩下的凸起SU-8结构用作制作PDMS基片的阳模，硅阳模表面用氟化的硅烷化试剂处理，然后将固化的PDMS从阳模剥离，制成具有特定微流道的基片； 2)在PDMS薄膜上用钻孔器产生排气孔，注液孔和电极孔； 3)镀膜采用蒸镀技术来进行镀膜，在真空下加热靶材金属，使其蒸发压力超过环境压力，从而加速蒸发，被涂敷的基片放在真空室中源材料的附近，当蒸气接触到较冷的基片表面时，金属蒸气被压縮，且在基片上颗粒边界生长出膜层。再采用聚乙烯醇(PVA)管壁涂层修饰微流道内壁； 4)芯片封合光陀螺四层之间的封合，即四层PDMS膜层的封合，这两种封合都用等离子辅助键合，制作后与上盖板先封合，脱离基片，再与光波导层封合。紫外线通过光掩膜使光刻胶曝光，未曝光区域用显影液溶解。硅片以及表面上剩下的凸起SU-8结构用作制作PDMS基片的阳模。这样可以获得较高的深宽比，其结构侧壁与基体表面垂直。这种封合4可用等离子辅助键合，氧等离子体有助于表面清洗，同时可提高表面化学活性，特别是聚合物材料的表面活性。氧等离子体处理的PDMS可实现永久封合。 有益效果根据以上叙述可知，本专利技术具有如下特点 本专利技术直接利用微流道中纳升量级的液体对光波进行控制，很好地体现了微流控技术的优势，有利于构造当前期待的高灵敏度的光陀螺。创新之处在于 (1)由于避免了由增大光纤长度来增大光程差的冗余结构，其可集成性能将大大提高。 (2)结合了微流控技术可直接感测外界变化，这使得这种光陀螺的应用范围延伸至各个对灵敏度要求不同的领域。 (3)微型气泵对电路要求很低，只要改变控制电压就可达到改变输送液体速度的作用。(4)可反复使用多种介质进行测量。附图说明 图1是SAGNAC效应的原理图。 图2是本专利技术的四层结构示意图。 图3是本专利技术的三维立体剖面图。 图中有第一电极孔1、注液孔2、排气孔3，第二电极孔4、第一气泵模块5、第二气泵膜块6、第一耦合器7、第二耦合器8、微环腔9、微流道10、上盖板11、微型气泵层12、光波导层13、下底板14、PDMS15。具体实施例方式本专利技术提出一本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种马赫－曾德尔干涉型微流控光学陀螺芯片的制作方法，其特征在于采用机械加工、制作ＰＤＭＳ微流控芯片、镀膜、封合来实现包含上盖板（１１）、由ＰＤＭＳ薄膜构成的微型气泵层（１２）、光波导层（１３）和下底板（１４）的夹心结构的集成制作，其主要步骤包括： １）光波导层的制作：采用制作光掩膜的方法，通过ＣＡＤ设计微流道，将其打印在透明胶片上作为掩膜，在硅片上甩涂一薄层光刻胶，通过紫外线曝光，未曝光区域用显影液溶解，硅片以及表面上剩下的凸起ＳＵ－８结构用作制作ＰＤＭＳ基片的阳模，硅阳模表面用氟化的硅烷化试剂处理，然后将固化的ＰＤＭＳ从阳模剥离，制成具有特定微流道的基片； ２）在ＰＤＭＳ薄膜上用钻孔器产生排气孔，注液孔和电极孔； ３）镀膜：采用蒸镀技术来进行镀膜，在真空下加热靶材金属，使其蒸发压力超过环境压力，从而加速蒸发，被涂敷的基片放在真空室中源材料的附近，当蒸气接触到较冷的基片表面时，金属蒸气被压缩，且在基片上颗粒边界生长出膜层。再采用聚乙烯醇（ＰＶＡ）管壁涂层修饰微流道内壁； ４）芯片封合：光陀螺四层之间的封合，即四层ＰＤＭＳ膜层的封合，这两种封合都用等离子辅助键合，制作后与上盖板先封合，脱离基片，再与光波导层封合。紫外线通过光掩膜使光刻胶曝光，未曝光区域用显影液溶解。硅片以及表面上剩下的凸起ＳＵ－８结构用作制作ＰＤＭＳ基片的阳模。这样可以获得较高的深宽比，其结构侧壁与基体表面垂直。这种封合可用等离子辅助键合，氧等离子体有助于表面清洗，同时可提高表面化学活性，特别是聚合物材料的表面活性。氧等离子体处理的ＰＤＭＳ可实现永久封合。...
【技术特征摘要】
一种马赫-曾德尔干涉型微流控光学陀螺芯片的制作方法，其特征在于采用机械加工、制作PDMS微流控芯片、镀膜、封合来实现包含上盖板(11)、由PDMS薄膜构成的微型气泵层(12)、光波导层(13)和下底板(14)的夹心结构的集成制作，其主要步骤包括1)光波导层的制作采用制作光掩膜的方法，通过CAD设计微流道，将其打印在透明胶片上作为掩膜，在硅片上甩涂一薄层光刻胶，通过紫外线曝光，未曝光区域用显影液溶解，硅片以及表面上剩下的凸起SU-8结构用作制作PDMS基片的阳模，硅阳模表面用氟化的硅烷化试剂处理，然后将固化的PDMS从阳模剥离，制成具有特定微流道的基片；2)在PDMS薄膜上用钻孔器产生排气孔，注液孔和电极孔；3)镀膜采用蒸镀技术来进行镀膜，在真空下加热靶材...
【专利技术属性】
技术研发人员：涂兴华，沈鹏，梁忠诚，徐宁，黄舒舒，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]
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